一种金属偏振片及其制作方法与流程

本发明涉及偏振领域，尤其是一种金属偏振片及其制作方法。
背景技术：
：中长波红外波段作为重要的大气光谱透射窗口，其中包括了大量气体分子的基频吸收带，除此之外，由于大气散射主要是瑞利散射，而瑞利散射与λ^4成反比，即长波散射比短波散射小很多，因此有效利用中长波红外大气窗口可增加光电成像系统的作用距离，减少在辐射传输过程中，由于大气的吸收和散射使景物信息衰减，遥感采集成像模糊的影响。偏振信息作为光波中的四大基础成分之一，偏振光可以增强红外信号，例如在远距离感知偏振光学系统中，偏振片有效地克服了1/(r^2)的限制。除此之外还可以增强红外图像的对比度，便于目标识别。传统的基于天然晶体的双折射效应的红外偏振器在制造时耗费成本并且由于其大体积而很难被集成到微光学系统中。除此之外基于双折射原理的偏振棱镜，只能找到适用于波长小于7μm的棱镜，而在8-12μm的波段范围内的双折射棱镜目前还没有发现，所以在这一波段只能用金属偏振光栅来制作偏振器。因此研究具有小型化易集成，高消光比、并且在中长波红外波段具有宽波段入射光范围的红外偏振器件就显得尤为迫切，其在生物医疗诊断、大气环境检测、卫星遥感成像以及军事目标识别等领域都具有重要意义。随着微纳米加工工艺的进步，针对亚波长金属线栅偏振片的研究也越发深入，其偏振原理是金属光栅脊对不同方向的偏振入射光的有效折射率不同，进而呈现不同特性。具体的，亚波长金属光栅对平行栅线方向的te偏振光表现为金属膜特性，为高反射；对垂直栅线方向的tm偏振光表现为介质膜特性，为高透射。技术实现要素：本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种金属偏振片。本发明所采用的技术方案是：第一方面，本发明提供一种金属偏振片，所述金属偏振片包括基底、介质层和金属层；所述介质层设置于所述基底一侧的表面上，所述金属层设置于所述介质层远离所述金属层一侧的表面上；所述介质层包括介质薄层、光栅介质层；所述介质薄层厚度为0.04～0.06μm。进一步地，所述介质层的材料为氯化钠或氧化硅。为此，本发明的第二个目的是提供一种金属偏振片的制作方法。第二方面，本发明提供一种金属偏振片的制作方法，所述金属线栅偏振片的制造方法包括：在基底的一侧表面沉积介质层；在所述介质层上涂覆光刻胶，制作光刻胶光栅；刻蚀所述介质层制作介质层光栅；在所述介质层光栅上沉积金属层，制作金属层光栅。进一步地，所述在所述基底的上表面沉积介质层包括：在所述基底上进行氯化钠或氧化硅沉积。进一步地，所述氯化钠或氧化硅沉积为利用真空蒸发镀膜方法沉积。进一步地，所述介质层上制作光刻胶光栅包括：在所述介质层上涂覆光刻胶；将所述光刻胶图案化，形成光刻胶光栅。进一步地，所述光刻胶图案化可以采用全息干涉、纳米压印或电子束曝光方法制作光刻胶光栅。进一步地，所述刻蚀介质层制作介质层光栅为对所述光刻胶光栅及未被光刻胶涂覆的介质层进行刻蚀，并将残余的光刻胶光栅剥离形成所述介质层光栅。进一步地，所述刻蚀光刻胶光栅和介质层为采用干法刻蚀、湿法刻蚀或者ibe方法刻蚀介质层制作介质层光栅。本发明的有益效果是：本发明通过采用锗制作光栅基底层，以氯化钠或氧化硅制作介质层，以银制作金属层，并使介质层、金属层形成线栅结构，通过在金属线栅底下加一层介质线栅可以在透过率变化不大的基础上，将消光比增加，以在降低了工艺难度同时克服现有技术中存在偏振片的消光比过低的问题，以获得了一种满足遥感需求的高消光比的线栅偏振片。附图说明图1是本发明第一实施例的金属线栅偏振片结构示意图；图2是本发明第二实施例的金属线栅偏振片结构流程图；图3a-图3d是本发明第三实施例的金属线栅偏振片的三视图和立体图；图4是本发明第三实施例的金属线栅偏振片结构示意图；图5是本发明第五实施例的金属线栅偏振片仿真数据图。附图标记说明名称标号名称标号基底1介质层2介质薄层21光栅介质层22金属层3光刻胶层4金属偏振片100具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。第一实施例请参阅图1，图1为本发明第一实施例的金属偏振片结构示意图。如图1所示，金属偏振片100包括：基底1、介质层2、和金属层3；所述介质层2设置于基底2表面上，所述金属层3设置于所述介质层2远离所述基底层1一侧的表面上。其中所述介质层2为线栅结构，介质层2包括介质薄层21、光栅介质层22。所述金属层3设置于所述介质层2的凸起与凹槽部位。所述基底1为采用锗所制作，锗为红外基底材料。由锗所制作的基底1在中长波红外波段(3-15μm)具有良好的偏振效果。其中，介质层2常用制作材料包括氟化钙、氟化钡、氟化镁、氧化镁、氧化硅、bcb树脂或氯化钠等在中长波红外波段的整个波段或特定波段范围具有较好透过率的材料。介质层2远离基底1一侧表面设有金属层3，金属层3常用的材料有金和银等在中长波红外波段都具有较好性能的金属材料。上述的金属偏振片100通过在金属层3与基底1之间增设介质层2，可在小范围改变透过率变化的基础上，大幅度增加消光比。根据等效介质理论，当金属偏振片100的周期远小于波长时，其输出只包括零级的tm透射光，其它级次全都是倏逝波，在这种情况下材料对光波的作用类似于通过一块均匀的介质材料。在其他实施例中，基底1可采用其他红外基底材料制作，如硫化锌和硒化锌。然而以上两种材料相比锗而言都具有一定的局限性，例如硫化锌进行酸洗，会产生有毒气体，而硒化锌本身存在毒性。第二实施例本发明还提供一种金属线栅偏振片的制造方法请参阅图2，图2为金属线栅偏振片的制造流程图。如图2所示，所述方法包括：s1：在基底1一侧的表面上表面沉积介质层2；s2：在所述介质层2上涂覆光刻胶4，制作光刻胶光栅；s3：刻蚀所述介质层2制作厚介质层光栅22，并留下厚的介质薄层21；s4：在所述介质层2上沉积厚金属层3，制作金属层光栅；其中，在所述基底1一侧的表面上沉积介质层2包括：s11：在基底1上进行氯化钠或氧化硅等介质沉积。具体地，所述在基底1上进行氯化钠或氧化硅等的沉积为利用真空蒸发镀膜方法沉积。所述在介质层2上制作光刻胶光栅包括：s21：在所述介质层2上涂覆光刻胶，以形成光刻胶层4；s22：将光刻胶层4图案化，形成光刻胶光栅。其中，光刻胶层4图案化包括用全息干涉、纳米压印或电子束曝光方法制作光刻胶光栅。步骤s3中的刻蚀介质层2制作介质层光栅3：还包括：对所述光刻胶光栅及未被光刻胶涂覆的介质层2进行刻蚀，以使介质层2具有线栅结构。当介质层2具有线栅结构后，可对介质层2表面残余的光刻胶光栅剥离。其中，介质层2可采用干法刻蚀、湿法刻蚀或者ibe方法刻蚀，以使介质层2具有线栅结构。金属层沉积为利用电子束蒸发在介质层上沉积金属银，以形成金属线栅偏振片。请参阅图3a-图3d，图3中详细列出所述金属线栅偏振片的三视图和立体图，其中图3a为金属线栅偏振片的主视图，图3b为图3a中i-i部的剖视图，图3c为金属线栅偏振片的俯视图，图3d为金属线栅偏振片的立体图。如图3a所示，金属线栅偏振片金属偏振片包括：基底、介质层、和金属层；所述介质层设置于基底层表面上，所述金属层设置于所述介质层远离所述基底层一侧的表面上。其中所述介质层为线栅结构，所述金属层设置于所述介质层的凸起与凹槽部位。如图3b所示，基底、介质层、和金属层具有相同宽度，且厚度均匀。如图3c所示，由俯视图可得，仅可观测到金属层。如图3d所示，图3d为金属线栅偏振片的立体图。以下通过对多个不同实施例进行仿真实验，以研究不同参数对金属线栅偏振片光栅偏振性能的影响。第三实施例请参阅图4，图4为本发明提供的第三实施例的金属偏振片结构图。如图4所示，基底1上设有金属层3，且所述金属层3具有线栅结构。通过本实施例所提供的金属偏振片，以对基本金属偏振结构的金属层材料和结构参数对光栅偏振性能的影响进行研究。结构参数如下：入射光为波长3-15μm的中长波红外波段，仿真间隔1μm；入射角θ＝0°为正入射；基底1为锗材料；金属层3分别仿真金和银；金属层深度h的仿真区间为0.1～2μm，间隔0.05μm；周期d的仿真区间为0.1～2μm，间隔0.05μm；占空比p/d为0.5。仿真结果处理：选取在3-15μm波段，仿真金属偏振片的横磁波零级透过率平均值大于80％，并且消光比平均值大于30db的深度和周期参数。通过对比试验选出金属层制作材料材为银，金属线栅周期d为0.55μm，金属线栅厚度h为0.25μm时，可以达到81％的tm光零级透过率，以及30.79db的消光比。第四实施例第四实施例的金属线栅偏振片仿真结构如图1所示。根据所述第三实施例的研究结果，基本光栅结构参数确定为：入射光为波长3-15μm的中长波红外波段，仿真间隔1μm；入射角θ＝0°为正入射；基底1为锗材料；金属层3材料为银；金属层厚度h2为0.25μm，周期d为0.55μm，占空比p/d为0.5。在金属偏振片的基本结构参数确定的情况下，设定介质薄层21的厚度为0.05μm，光栅介质层22的厚度为0.35μm，对所述介质薄层21和光栅介质层22的材料进行仿真，其中仿真材料包括氧化硅、氧化镁、氟化钡、氟化钙、氟化镁、氯化钠和bcb硅树脂。多次试验，并得到各材料在3-15μm波段tm零级透过率和消光比的平均值，如表1。可得出氯化钠的偏振效果最优，在中长波红外波段的平均透过率可达80.1％，消光比达73.6db。表1.tm零级透过率和消光比的平均值表第五实施例本实施例中金属线栅偏振片仿真结构如图1所示。根据所述第三实施例的研究结果，基本光栅结构参数确定为：入射光为波长3-15μm的中长波红外波段，仿真间隔1μm；入射角θ＝0°为正入射；基底1为锗材料；金属层3的制作材料为银；金属层3厚度h2为0.25μm，周期d为0.55μm，占空比p/d为0.5。在金属偏振片基本结构参数确定的情况下，对介质薄层21的厚度进行仿真，仿真区间为0～0.3μm，每间隔0.05。通过对比，得出当介质薄层21的厚度为0.05μm时，偏振片的偏振性能最优，达到80.1％的tm光零级透过率，以及73.6db的高消光比，其在3～15μm波段tm零级透过率和消光比曲线如图5所示。在其他变更实施例中，可于基底及介质层之间设置第二介质层，介质层与第二介质层为不同材料所制作，以进一步提高金属偏振片的消光比。如以nacl作为介质层的主要成分、mgf作为第二介质层的主要成分，或使用nacl、mgf混合以作为介质层的主要成分。在其他变更实施例中，金属层远离基底一侧设有第二金属层，通过设置至少两个不同的金属层以增加消光的路径，以进一步增加消光比。综上所述，通过在具有线栅结构的金属层3与基底1之间增设有具有线栅结构的介质层2，可在小幅度改变金属偏振片透过的基础上，大幅度增加消光比。根据等效介质理论，当偏振片的周期小于波长时，其输出只包括零级的透射和反射，其它级次均为倏逝波，在这种情况下材料对光波的作用类似于一块均匀的介质材料。然而，不设有介质层2的金属偏振片要获得较高的偏振性能就需要具有大深宽比的光栅结构，制作工艺难度较高。本发明实施例通过先制作具有线栅结构的介质层，再在介质层上沉积金属层，以获得具有线栅结构的金属层，可有效的提高金属偏振片的消光比。采用lc等效电路也可以简单直观地理解此种金属介质微纳米线栅结构的电磁特性，并且其与严格耦合波法计算结构吻合较好，具有一定的科学性。tm偏振光入射到光栅表面，通过入射光与周期光栅之间阻抗匹配耦合，激发金属中的磁极子激元产生磁共振效应，获得共振增强的局域磁场。磁极子基元激发时光栅脊的下表面与金属锗基底层的上表面将产生方向相反的累积正负电荷，而正负电荷的相互作用可以采用lc振荡电路模型等效，可以解释介质隔层金属光栅局域磁共振场增强特性。以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。当前第1页12